(57)【要約】      （修正有）【課題】プローブの高さと角度変化を測定する測定方法において、プローブの回転中心である支点が水平方向にずれた場合、測定の誤差となる支点のズレ量を算出し、三次元データを補正する三次元測定方法を提供する。【解決手段】スタイラス１０１の傾きを検出する測定系と、高さを検出する測定系を備え、高さを測定する測定系を回転中心である支点１０６から水平方向にオフセットさせることにより、スタイラス１０１の角度及び高さの変化量から支点と高さ測定位置の距離を求め、その距離を測定前後で確認することで支点１０６の水平方向のズレ量を算出し、測定データの補正を行う。【選択図】図１Ａ
2013221929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、前記スタイラス取付部材のある１点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、前記ミラーの高さを測定する高さ測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを備えて、前記被測定物の前記被測定面の測定を行う三次元測定方法において、
前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる２点に照射して前記２点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを、前記傾き測定部と前記高さ測定部を含む三次元形状データ測定部で測定し、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記２点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量をズレ量算出部で算出し、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正部で補正する、三次元測定方法。
【請求項２】
前記三次元形状データを測定するとき、前記高さ測定用レーザー光と前記傾き測定用レーザー光とが、前記ミラーの前記支点を挟んで対角上の前記２点に照射される請求項１に記載の三次元測定方法。
【請求項３】
被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、
前記スタイラス取付部材のある１点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、
前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、
前記ミラーの高さを測定する測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを有して、前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる２点に照射して前記２点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを測定する三次元形状データ測定部と、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記２点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量を算出するズレ量算出部と、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正する補正部とを備える、三次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穴形状、又は、測定物の側面形状等を測定する三次元測定方法及び装置において、プローブに起因する誤差を補正する三次元測定方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の測定物の側面形状の測定方法としては、例えば特許文献１に記載されたＨｅ−Ｎｅレーザーと半導体レーザーを用いて、測定物の高さと傾きとを測定するものがある。
【０００３】
図４は測定機２２０の概略構成を示した図である。
【０００４】
図４において、測定機２２０は、スタイラス２０１と、角度検出部２１５と、ＸＹステージ２１０と、Ｚ移動軸２１１とを有する。スタイラス２０１は、被測定物２００の表面に接触する。ＸＹステージ２１０は、被測定物２００を任意の位置に水平移動させる。Ｚ移動軸２１１は、スタイラス２０１を高さ方向に移動させる。また、ＸＹステージ２１０上には、Ｘ軸用測長ミラー２１３と、Ｙ軸用測長ミラー２１４とが配置されている。本測定機２２０では、被測定物２００をＸＹステージ２１０によりＸＹ方向に動かす。次いで、スタイラス２０１を被測定物２００に対して一定量だけ水平方向に押し込む。その際のスタイラス２０１の角度を角度検出部２１５にて測定する。その後、角度が一定になるように、ＸＹステージ２１０をＸ方向及びＹ方向に制御しながら、被測定物２００の表面について測定動作を行う。この際、ＸＹステージ２１０の上に設置されたＸ軸用測長ミラー２１３とＹ軸用測長ミラー２１４とを用いて、レーザー測長法により距離を測長することで、ＸＹステージ２１０のＸ及びＹ座標測定値を得る。さらに、角度検出部２１５にて測定した角度を基に、スタイラス２０１の水平方向変位量を加算することにより、被測定面のＸ及びＹ座標が高精度に測定される。また、プローブ２１２に内蔵されたスタイラス２０１に連結されたミラー２０２にてレーザー測長法を行い、スタイラス１０１のＺ座標を測定する。
【０００５】
図５は、特許文献１に記載されたプローブ２１２の構造及び角度検出部２１５の測定方法を示す図である。
【０００６】
プローブ２１２では、スタイラス２０１と揺動部材２０３とが一体に固定されている。そして、プローブ取付用部材２２２に一体的に固定された載置台２１６上で、支点２０６を中心として、スタイラス２０１は、横方向に揺動できるように構成している。これにより、被測定物２００に対してスタイラス２０１が水平方向に押し込まれると、Ｘ方向及びＹ方向の変位に従って、スタイラス２０１に連結されたミラー２０２がＸ方向及びＹ方向周りに傾く。一方、半導体レーザー光源２１２から半導体レーザー光２０４がミラー２０２に照射されている。そして、ミラー２０２からの反射光に基づき、傾斜角度検出部２０５にてミラー２０２の傾斜角が測定される。また、ミラー２０２の高さについては、高さ測定用レーザー光２０３によるレーザー測長法により測長を行う。尚、高さ測定用のレーザー光２０３は、ミラー２０２が傾斜した際の高さ方向の誤差を防止するため、支点２０６とＸＹ平面上で同軸となるように照射されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２９２２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、被測定物に大きな段差がある場合又は被測定物２００の表面粗さが極めて大きい場合、スタイラスを通して支点に水平方向の力がかかり、支点の位置が微小変動して、支点ズレが発生していた。そのため、被測定物を測定した三次元形状データは、支点の微小変動に伴うズレ量が誤差要因となって、測定精度が低下するという課題を有している。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定の誤差となる支点のズレ量を算出し、三次元形状データを補正する三次元測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１１】
本発明の第１態様によれば、被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、前記スタイラス取付部材のある１点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、前記ミラーの高さを測定する高さ測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを備えて、前記被測定物の前記被測定面の測定を行う三次元測定方法において、
前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる２点に照射して前記２点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを、前記傾き測定部と前記高さ測定部を含む三次元形状データ測定部で測定し、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記２点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量をズレ量算出部で算出し、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正部で補正する、三次元測定方法を提供する。
【００１２】
本発明の第３態様によれば、被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、
前記スタイラス取付部材のある１点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、
前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、
前記ミラーの高さを測定する測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを有して、前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる２点に照射して前記２点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを測定する三次元形状データ測定部と、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記２点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量を算出するズレ量算出部と、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正する補正部とを備える、三次元測定装置を提供する。
【００１３】
本手法により、従来は測定誤差となっていたプローブの支点ズレに関して補正が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の三次元測定方法及び装置によれば、そのＸ及びＹ方向の傾き及び高さの変化から、Ｘ方向及びＹ方向の支点ズレ量を算出し、三次元形状データを補正することで、高精度な三次元測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における三次元測定装置の傾き及び高さ測定部品及び演算部などの説明図
【図１Ｂ】図１Ａの三次元測定装置の概略図
【図２Ａ】本発明の第１実施形態における形状測定用プローブの測定動作に関する説明図
【図２Ｂ】本発明の第１実施形態における形状測定用プローブにおけるスタイラス傾斜前の概念図
【図２Ｃ】本発明の第１実施形態における形状測定用プローブにおけるスタイラス傾斜後の概念図
【図３Ａ】本発明の第１実施形態における支点ズレがない場合の形状測定用プローブの概念図
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態における支点ズレが生じた場合の形状測定用プローブの概念図
【図４】特許文献１に記載された従来の装置概略図
【図５】特許文献１に記載された従来の傾き、高さ測定方法を示す分解説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態における三次元測定方法を実施する三次元測定装置１５０の傾き及び高さ測定部品及び演算部などについての説明図である。図１Ｂは、図１Ａの三次元測定装置１５０の概略図である。
【００１８】
まず、三次元測定装置１５０のプローブ１２について説明する。図１Ａにおいて、プローブ１２は、スタイラス１０１と、スタイラス取付部材１１５と、ミラー１０２とで構成されて、載置台１６に揺動可能に支持されている。スタイラス取付部材１１５の下端にはスタイラス１０１が固定されている。ミラー１０２は、スタイラス取付部材１１５の円筒部１１５ａの上端面に固定されている。よって、スタイラス１０１とミラー１０２とは、スタイラス取付部材１１５を介して連結されている。
【００１９】
スタイラス取付部材１１５の円筒部１１５ａの側面の貫通穴１１５ｂを四角柱状の載置台１６が貫通している。載置台１６の上面に設けたテーパ穴１６ａには、スタイラス取付部材１１５の円筒部１１５ａのプローブ支点１０６が挿入されて、スタイラス取付部材１１５が載置台１６に揺動自在に吊り支持されている。よって、載置台１６は、スタイラス取付部材１１５を揺動自在に支持する支持部材の一例として機能する。
【００２０】
このような構成のプローブ１２では、スタイラス１０１の傾きに応じて、プローブ支点１０６を中心にミラー１０２も傾く構造となっている。
【００２１】
三次元測定装置１５０は、図１Ｂに示すように、図１Ａのプローブ１２と、ＸＹステージ１４０と、Ｚ移動軸１５２とを有している。測定時、プローブ１２のスタイラス１０１の下端は、被測定物１１６の側面（被測定面）１１６ａに接触する。Ｚ移動軸１５２は、Ｚ方向の位置決め指令値（被測定物１１６の側面１１６ａの測定すべきＺ座標の指令値であって、制御部１４１からＺ移動軸１５２に対して指令される指令値）に基づき、スタイラス１０１を石定盤１５７に対して高さ方向（Ｚ軸方向）に移動させる。被測定物１１６と、Ｘ参照ミラー１５３と、Ｙ参照ミラー１５４とが被測定物載置台１６０に固定されている。この被測定物載置台１６０は、制御部１４１の制御の下に、ＸＹ軸方向駆動制御装置１４３を介してＸＹステージ１４０によって、石定盤１５７に対して一体となってＸＹ方向に移動させる。
【００２２】
後述するように、石定盤１５７に固定された周波数安定化レーザー光源１１０から出射されたレーザー光は、高さ測定用レーザー光１０３として使用される以外に、座標測定用レーザ光として、複数のビームスプリッタ（一部図示せず）により複数の光に分割され、それぞれがＸ座標測定用レーザ光２１１Ｘ（図示せず）とＹ座標測定用レーザ光２１１Ｙとして使用される。Ｘ座標測定用レーザ光２１１Ｘ（図示せず）とＹ座標測定用レーザ光２１１ＹとＸＹステージ１４０の上に設置されたＸ参照ミラー１５３とＹ参照ミラー１５４となどを用いて、公知のレーザー測長法により距離を測長することで、ＸＹステージ１４０のＸ座標測定値及びＹ座標測定値をＸ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙとで得る。さらに、後述するように、傾斜角度検出部１０５にて測定した傾きを基に、スタイラス１０１の水平方向の変位量をズレ量として演算部３００で演算補正することにより、被測定面１１６ａのＸ座標及びＹ座標が高精度に測定される。
【００２３】
三次元測定装置としては、この他に、半導体レーザー光源１１２と、周波数安定化レーザー光源１１０と、傾斜角度検出部１０５と、高さ測長部１１１と、内部メモリ１０８と、演算部３００と、制御部１４１とを備えている。傾斜角度検出部１０５と高さ測長部１１１とＸ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙとで三次元形状データ測定部３０１の一例として機能する。傾斜角度検出部１０５は、傾き測定部の一例として機能する。高さ測長部１１１は、高さ測定部の一例として機能する。
【００２４】
制御部１４１は、半導体レーザー光源１１２と、周波数安定化レーザー光源１１０と、傾斜角度検出部１０５と、高さ測長部１１１と、内部メモリ１０８と、演算部３００と、Ｘ座標用位置座標測定部１５５Ｘと、Ｙ座標用位置座標測定部１５５Ｙと、ＸＹ軸方向駆動制御装置１４３と、Ｚ移動軸１５２とに接続されて、それぞれの動作を制御する。
【００２５】
半導体レーザー光源１１２から出射された傾き測定用の半導体レーザー光１０４、及び、周波数安定化レーザー光源１１０から出射された高さ測定用レーザー光１０３は、それぞれ、ミラー１０２へ照射されている。高さ測定用レーザー光１０３がミラー１０２へ照射されている位置を高さ測定用レーザー光照射位置１０７とする。傾き測定用の半導体レーザー光１０４及び高さ測定用レーザー光１０３は、それぞれ、傾斜角度検出部１０５及び高さ測長部１１１により、ミラー１０２の傾き（傾斜角度）と高さとを高精度で測定している。
【００２６】
傾き測定用の半導体レーザー光１０４がハーフミラー１７２を透過してミラー１０２で反射し、ハーフミラー１７２を介して傾斜角度検出部１０５に入射しているとき、ミラー１０２の傾きが変化すると、ミラー１０２からの反射光がハーフミラー１７２を介して傾斜角度検出部１０５に入射している入射位置が変化する。このため、この入射位置の変化を基に、傾斜角度検出部１０５で傾きを高精度に検出している。
【００２７】
周波数安定化レーザー光源１１０からの高さ測定用レーザー光１０３がハーフミラー１７１を透過してミラー１０２で反射し、ハーフミラー１７２を介して高さ測長部１１１に入射している。この反射光は、光路長変化情報を含んでいる。一方、周波数安定化レーザー光源１１０からの高さ測定用レーザー光１０３がハーフミラー１７１を介して高さ測長部１１１に入射している。このミラー１０２で反射していないレーザー光は、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光として使用できる。よって、光路長変化情報を含む反射光と、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光とを高さ測長部１１１で干渉させ、既知のレーザ測長法によりミラー１０２の高さを高さ測長部１１１で高精度に検出している。
【００２８】
ミラー１０２上では、高さ測定用レーザー光１０３は、支点１０６に対して、Ｘ及びＹ方向にオフセットした位置に配置されている。傾き測定用の半導体レーザー光１０４も、支点１０６に対して、Ｘ及びＹ方向にオフセットした位置に配置されている。一例として、高さ測定用レーザー光１０３と傾き測定用レーザー光１０４とが支点１０６（図１Ａのミラー１０２上の十字の中心位置）を挟んで対角上にミラー１０２に照射されている。より好ましくは、支点１０６に対して、高さ測定用レーザー光１０３の照射位置と傾き測定用レーザー光１０４の照射位置とが等距離にすれば、演算処理が簡素化されて好ましい。このように、高さ測定用レーザー光１０３と測定用の半導体レーザー光１０４との照射位置を、ミラー１０２上で、支点６０１を挟んで対角に配置しているのは、ミラー１０２のサイズを最小化するためである。
【００２９】
三次元形状データ測定部３０１を構成する傾斜角度検出部１０５と高さ測長部１１１とＸ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙとで、被測定物１１６とプローブ１２との相対移動において、被測定物１１６の三次元形状データを測定して、内部メモリ１０８にそれぞれ保存する。具体的には、Ｘ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙとで得られた、ＸＹステージ１４０のＸ座標測定値及びＹ座標測定値と、高さ測長部１１１で得られたプローブ１２のＺ座標（高さ）と、傾斜角度検出部１０５で得られたスタイラス１０１のＸ方向傾き角度及びＹ方向傾き角度とは、それぞれ、内部メモリ１０８に保存する。
【００３０】
内部メモリ１０８に保存されたデータは、演算部３００で演算処理されて、後述するように、プローブ１２に起因する誤差を補正することができる。
【００３１】
ここで、演算部３００は、ズレ量算出部３０２と、補正部３０３とを備えている。
【００３２】
ズレ量算出部３０２は、三次元形状データ測定部３０１で得られた三次元形状データである２点間の傾きと高さ変動値とから、支点６０１のズレ量を算出する。
【００３３】
補正部３０３は、ズレ量算出部３０２で算出したズレ量を使用して、Ｘ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙとで得られたＸ座標測定値とＹ座標測定値とを補正する。この結果、高精度な三次元測定を行うことができる。
【００３４】
前記構成にかかる三次元測定装置により三次元測定方法について説明する。
【００３５】
まず、測定動作開始時は、傾斜角度検出部１０５で測定されたスタイラス１０１の傾きが一定になるように、制御部１４１での制御の下に、ＸＹ軸方向駆動制御装置１４３を介して、被測定物１１６が保持されたＸＹステージ１４０がＸＹ方向に制御されている。ここで、「傾斜角度検出部１０５で測定されたスタイラス１０１の傾きが一定になるように」とは、スタイラス１０１の下端を被測定物１１６の被測定面（側面）１１６ａに対して一定量だけ水平方向に押し付けるようにスタイラス１０１をＺ方向に対して傾ける（言い換えれば、スタイラス１０１の傾きが一定になるようにスタイラス１０１の下端を被測定物１１６の被測定面（側面）１１６ａに押し付ける）ことを意味している。その際のスタイラス１０１の傾きを傾斜角度検出部１０５にて測定する。
【００３６】
測定動作中では、この制御状態を維持したまま（スタイラス１０１の傾きを一定に維持したまま）、スタイラス１０１の下端が被測定物１１６の被測定面（側面）１１６ａの表面に沿った状態で移動するように、ＸＹステージ１４０をＸＹ軸方向駆動制御装置１４３を介して駆動する。このようにすることにより、ＸＹステージ１４０のＸＹ座標測定値及びプローブ１２のＺ座標（高さ）と、スタイラス１０１のＸ方向傾き角度及びＹ方向傾き角度とを高さ測長部１１１と傾斜角度検出部１０５とでそれぞれ連続的に測定を行い、測定データを内部メモリ１０８にそれぞれ保存している。
【００３７】
図２Ａは、被測定物１１６をスタイラス１０１にて測定する際の動作を、水平方向から見た場図である。図２Ａに示すように、ＸＹステージ１４０を駆動することにより、スタイラス１０１が被測定物１１６に接触して被測定物１１６の測定面１１６ａに沿って移動すると、プローブ支点１０６を中心として、ミラー１０２の傾きが変化する。このとき、ミラー１０２の高さは、ミラー中心から高さ測定用レーザー光照射位置１０７までの水平距離とミラー１０２の傾きとに比例して変化する。
【００３８】
また、図２Ｂの上下の図は、それぞれ、支点ズレがなく、スタイラス１０１が傾斜していないプローブ１２をＺ方向下向きに見た際の概念図及びＹ方向から見た際の概念図である。図２Ｃの上下及び右側の図は、それぞれ、支点ズレがなく、スタイラス１０１が傾斜したプローブ１２をＺ方向下向きに見た際の概念図及びＹ方向及びＸ方向からそれぞれ見た際の概念図である。ここで、符号を以下のように定義する。なお、図２Ｃでは、傾き（傾斜角度）を誇張して大きく描いているが、実際の測定での傾きは、最大でも６０秒（ｓ）と非常に小さな値である。
【００３９】
・  Ｌｘ：ミラー１０２上での高さ測定用レーザー光照射位置１０７から支点１０６の位置までのＸ方向距離（設計値）。
【００４０】
・  Ｌｙ：ミラー１０２上での高さ測定用レーザー光照射位置１０７から支点１０６位置までのＹ方向距離（設計値）。
【００４１】
・  Ｌｓ：測定点から支点１０６までのスタイラス１０１の長さ（設計値）。
【００４２】
・  ΔＸ（ｎ）：スタイラス傾斜時の測定点（スタイラス１０１の下端と被測定物１１６の側面（被測定面）１１６ａとの接触点）から支点１０６までのＸ方向距離。
【００４３】
・  ΔＹ（ｎ）：スタイラス傾斜時の測定点から支点１０６までのＹ方向距離。
【００４４】
・  θｘ（ｎ）：ミラー１０２のＸ軸回りの傾き量。
【００４５】
・  θｙ（ｎ）：ミラー１０２のＹ軸周りの傾き量。
【００４６】
これらの値には下記の関係式（１）がある
ΔＸ（ｎ）  ＝Ｌｓ・ｓｉｎθｙ（ｎ）
ΔＹ（ｎ）  ＝Ｌｓ・ｓｉｎθｘ（ｎ）
・・・・・・（１）
さらに、ミラー１０２の傾きが最大でも６０秒（ｓ）と十分に小さいため、三角関数について微小角の近似式を用いると、上式（１）は
ΔＸ（ｎ）  ＝Ｌｓ・θｙ（ｎ）
ΔＹ（ｎ）  ＝Ｌｓ・θｘ（ｎ）
・・・・・・（２）
とスタイラス１０１の傾斜による誤差は、上記の式（２）のように表すことが出来る。
【００４７】
また、新たな符号として下記を定義する。
【００４８】
・  Ｘ１（ｎ）：ＸＹステージ１４０上に設置されたＸ軸用測長ミラー１５３を用いたレーザー測定法によりＸ座標用位置座標測定部１５５Ｘで求まるＸＹステージ１４０のＸ座標測定値。
【００４９】
・  Ｙ１（ｎ）：ＸＹステージ１４０上に設置されたＹ軸用測長ミラー１５４を用いたレーザー測定法によりＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙで求まるＸＹステージ１４０のＹ座標測定値。
【００５０】
・  Ｚ１（ｎ）：ミラー１０２を用いたレーザー測定法により高さ測長部１１１で求まるスタイラス１０１のＺ座標測定値（高さ）。
【００５１】
これらの値に、傾斜角度検出部１０５で測定された傾き量θｘ（ｎ）、θｙ（ｎ）を加えた、（Ｘ１（ｎ）、Ｙ１（ｎ）、Ｚ１（ｎ）、θｘ（ｎ）、θｙ（ｎ））を３次元形状データの測定値として、Ｘ座標用位置座標測定部１５５ＸとＹ座標用位置座標測定部１５５Ｙと高さ測長部１１１と傾斜角度検出部１０５とにより、内部メモリ１０８にそれぞれ保存する。
【００５２】
図３Ａ及び図３Ｂで、従来技術で説明したように支点ズレが発生した場合に、内部メモリ１０８に保存されたデータを基に、演算部３００で行う補正量の算出方法について説明を行う。ここで、新たに、次の符号を定義する。
【００５３】
・  Ｇｘ（ｎ）：支点１０６のＸ方向のズレ量。
【００５４】
・  Ｇｙ（ｎ）：支点１０６のＹ方向のズレ量。
【００５５】
・  Δｈ（ｎ）：ミラー１０２により測定されるＺ座標とＺ方向の位置決め指令値との差。
【００５６】
なお、図３Ａ及び図３Ｂは、Ｘ方向のズレのみが生じた場合での図となっているが、実際にはＹ方向に関しても同様な状態が発生する。
【００５７】
また、図３Ａ及び図３Ｂでは、ズレ量を誇張して極端に大きく描いているが、実際は図２Ａに示すように支点１０６は、載置台１６に設けられたテーパ穴１６ａ内にあり、ズレ量は数十μｍオーダーである。また、ズレが生じた場合のミラー１０２のＺ方向の変動は無視できる程小さい。
【００５８】
このとき、高さ測定用レーザー光照射位置１０７から支点１０６の位置までのＸ方向距離は、Ｌｘ＋Ｇｘ（ｎ）となり、ミラー１０２の高さの変化量Δｈ（ｎ）は、ミラー１０２の傾きが最大でも、６０秒（ｓ）と十分に小さいため、次式（３）で近似できる。
【００５９】
Δｈ（ｎ）＝（Ｌｘ＋Ｇｘ（ｎ））・ｔａｎθｙ（ｎ）＋（Ｌｙ＋Ｇｙ（ｎ））・ｔａｎθｘ（ｎ）
・・・・・・（３）
また、三角関数について微小角の近似式を用いると、
Δｈ（ｎ）＝（Ｌｘ＋Ｇｘ（ｎ））・θｙ（ｎ）＋（Ｌｙ＋Ｇｙ（ｎ））・θｘ（ｎ）
・・・・・・（４）
と表せる。
【００６０】
この式（４）において、高さの変化量Δｈ（ｎ）は、高さ測長部１１１の測定値とＺ移動軸１５２の指令値から求まり、傾き量θｘ（ｎ）、θｙ（ｎ）は傾斜角度検出部１０５にて測定されているため、既知である。また、距離Ｌｘ及びＬｙについても、設計値であるため、既知である。しかし、ズレ量Ｇｘ（ｎ）及びズレ量Ｇｙ（ｎ）については、支点ズレによる影響又は組立誤差等により、未知数である。そのため、変化量Δｈ（ｎ）、傾き量θｘ（ｎ）、傾き量θｙ（ｎ）が、異なる２点、すなわち、点（Δｈ（ｎ１）、θｘ（ｎ１）、θｙ（ｎ１））、及び、点（Δｈ（ｎ２）、θｘ（ｎ２）、θｙ（ｎ２））において測定を行えば、次式（５），（６）により、ズレ量Ｇｘ（ｎ１）とズレ量Ｇｙ（ｎ１）とをズレ量算出部３０２で求めることができる。
【００６１】
【数１】
2013221929.tif 000003
・・・・・・（５）
【００６２】
【数２】
2013221929.tif 000004
【００６３】
・・・・・・（６）
これより、ズレ量Ｇｘ（ｎ１）とズレ量Ｇｙ（ｎ１）とがズレ量算出部３０２で算出される。このように任意の２点から、ズレ量Ｇｘ（ｎ）とズレ量Ｇｙ（ｎ）とは、ズレ量算出部３０２で算出可能である。
【００６４】
また、新たな符号として、
・  Ｘ２（ｎ）：被測定物１１６の被測定面１１６ａのＸ座標、
・  Ｙ２（ｎ）：被測定物１１６の被測定面１１６ａのＹ座標、
・  Ｚ２（ｎ）：被測定物１１６の被測定面１１６ａのＺ座標、
を定義する。これらの値（Ｘ２（ｎ）、Ｙ２（ｎ）、Ｚ２（ｎ））を３次元形状データとして、内部メモリ１０８に保存している（Ｘ１（ｎ）、Ｙ１（ｎ）、Ｚ１（ｎ）、θｘ（ｎ）、θｙ（ｎ））と、ズレ量算出部３０２により算出したΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、Δｈ（ｎ）、Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）とを用いると、次式（７）が成り立つ。
【００６５】
Ｘ２（ｎ）＝Ｘ１（ｎ）−ΔＸ（ｎ）＋Ｇｘ（ｎ）
Ｙ２（ｎ）＝Ｘ１（ｎ）−ΔＹ（ｎ）＋Ｇｙ（ｎ）
Ｚ２（ｎ）＝Ｚ１（ｎ）−Δｈ（ｎ）
・・・・・・（７）
これらの式（７）の演算を補正部３０３で行うことにより、補正部３０３での補正が行われる。
【００６６】
このようにして、Ｘ及びＹ方向の傾き及び高さの変化から、Ｘ方向及びＹ方向の支点ズレ量をズレ量算出部３０２で算出し、三次元形状データを補正部３０３で補正することで、被測定物１１６の被測定面１１６ａのＸＹＺ座標（Ｘ２（ｎ）、Ｙ２（ｎ）、Ｚ２（ｎ））を高精度に得ることができる。よって、第１実施形態の三次元測定装置１５０により、被測定物１１６の被測定面１１６ａを高精度に測定することが可能となる。
【００６７】
上記の補正は、三次元形状データ測定部３０１での測定終了後、内部メモリ１０８内に保存された３次元形状データを基に、ズレ量算出部３０２と補正部３０３とによりズレ量算出処理及び補正処理を行う。また、ΔＸ（ｎ）、ΔＹ（ｎ）、Δｈ（ｎ）による補正は、各測定点に対してズレ量をズレ量算出部３０２により算出し、補正部３０３により補正を行う。しかし、ズレ量Ｇｘ（ｎ）とズレ量Ｇｙ（ｎ）とによる補正では、支点ズレの発生頻度が低いため、全測定点に対してズレ量をズレ量算出部３０２により算出する必要はなく、一定の測定点間隔ごとにズレ量をズレ量算出部３０２により算出し、その補正を補正部３０３により行う事も可能である。もしくは、ズレ量算出部３０２により、一定区間のズレ量の平均値にてその区間内でのズレ量をＧｘ（ｎ）、ズレ量をＧｙ（ｎ）とし、その補正を補正部３０３により行っても良い。また、測定中に測定点を取り込むごとにズレ量をＧｘ（ｎ）、ズレ量をＧｙ（ｎ）をズレ量算出部３０２により算出し、リアルタイムに補正部３０３により補正することも可能である。
【００６８】
なお、第１実施形態において、傾き測定用レーザー光１０４は、高さ測定用レーザー光１０３に対して、支点６０１を挟んで対角上に照射されるように配置している。しかしながら、傾き測定用レーザー光１０４は、ミラー１０２上の支点位置を除く、任意の位置に照射可能である。原理的には、ミラー１０２のＸ軸上又はＹ軸上に配置したとしても、傾きθｘ（ｎ）、θｙ（ｎ）から一定角回転した新たな傾きθｘ’（ｎ）、θｙ’（ｎ）の座標系をソフト内部（例えば、傾斜角度検出部１０５）で算出することができる。このようにして算出したデータを使用して、新たな座標系のｘ’、ｙ’方向に対して支点ズレ量をズレ量算出部３０２定義する事が可能なため、補正部３０３での補正は可能である。また、ミラー１０２の傾きを検出する光学系については、ミラー１０２上の任意の位置に配置可能であるが、ミラーサイズを最小化するために、プローブ１０１のサイズが最も小型となる支点を挟んで対角となるように配置している。
【００６９】
上記構成によれば、スタイラス１０１の変位を、スタイラス１０１と連結されたミラー１０２の傾きと高さとの変位として測定する三次元測定装置１５０のプローブ１２において、スタイラス１０１と連結されたミラー１０２によりスタイラス１０１の高さ変動量と傾きとを高さ測長部１１１及び傾斜角度検出部１０５で測定し、２つの値から回転中心となる支点１０６の水平方向のズレ量をズレ量算出部３０２で算出し、ズレ量に応じて座標測定値の補正を補正部３０３で行う三次元測定方法及び装置を提供するものである。このような構成によれば、Ｘ及びＹ方向の傾き及び高さの変化から、Ｘ方向及びＹ方向の支点ズレ量をズレ量算出部３０２で算出し、三次元形状データを補正部３０３で補正することで高精度な三次元測定を行うことができる。
【００７０】
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の三次元測定方法及び装置は、プローブ起因の誤差を算出し補正する光学系を有し、レンズ鏡筒又は歯車等の上下方向沿いの側面の高精度形状測定に適用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１２      プローブ
１６      載置台
１６ａ    テーパ穴
１０１    スタイラス
１０２    ミラー
１０３    高さ測定用レーザー光
１０４    半導体レーザー光
１０５    傾斜角度検出部
１０６    支点
１０７    高さ測定用レーザー光照射位置
１０８    内部メモリ
１１０    周波数安定化レーザー光源
１１１    高さ測長部
１１２    半導体レーザー光源
１１５    スタイラス取付部材
１１５ａ  円筒部
１１５ｂ  貫通穴
１１６    被測定物
１１６ａ  被測定面
１４０    ＸＹステージ
１４１    制御部
１４３    ＸＹ軸方向駆動制御装置
１５０    三次元測定装置
１５２    Ｚ移動軸
１５３    Ｘ参照ミラー
１５４    Ｙ参照ミラー
１５５Ｘ  Ｘ座標用位置座標測定部
１５５Ｙ  Ｙ座標用位置座標測定部
１５７    石定盤
１６０    被測定物載置台
１７１    ハーフミラー
１７２    ハーフミラー
２１１Ｙ  Ｙ座標測定用レーザ光
３００    演算部
３０１    三次元形状データ測定部
３０２    ズレ量算出部
３０３    補正部
【図１Ａ】
2013221929.tif 000005
【図１Ｂ】
2013221929.tif 000006
【図２Ａ】
2013221929.tif 000007
【図２Ｂ】
2013221929.tif 000008
【図２Ｃ】
2013221929.tif 000009
【図３Ａ】
2013221929.tif 000010
【図３Ｂ】
2013221929.tif 000011
【図４】
2013221929.tif 000012
【図５】
2013221929.tif 000013